塑料是一种由高分子聚合物制成的材料,具有轻便、耐用、可塑性强的特点。它们广泛应用于日常生活和工业领域,如包装、容器、电子产品和建筑材料等。塑料的种类繁多,包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等,每种塑料都有其独特的性能和用途。虽然塑料为人类生活带来便利,但也因其不易降解性而引发环境问题,因此塑料的可持续使用和回收利用越来越受到重视。
研究简史
1869年,约翰-卫斯理-凯悦(John Wesley Hyatt)发明了赛璐珞,这是第一种合成塑料。这项发明对照相胶卷、台球等多种消费品的生产产生了深远影响,开创了塑料时代的先河
1907年,利奥-贝克兰(Leo Baekeland)发明了第一种合成热固性塑料--电木。贝克兰的这一突破促成了一系列产品的诞生,包括电绝缘体、电话机外壳和厨具。这两项开创性的发明为塑料史上一系列突破性发展铺平了道路。
德国化学家奥托-罗姆(Otto Rohm)于1931年发明了丙烯酸,并于1940 年开发出脲醛,这些都是对塑料世界的重大贡献。1971年,发明了聚氯乙烯彻底改变了塑料行业。随后又创建了高强度聚苯乙烯1973年,聚氨酯;1974年,聚氨酯、聚碳酸酯1984年,线性低密度聚乙烯1987年,交联聚乙烯(1988 年),以及高密度聚乙烯1989年。
定义与分类
定义
塑料是指以树脂(或在加工过程中用单体直接聚合)为主要成分,含有添加剂,在加工过程中可以流动成型的材料。塑料不包含纤维、涂料和粘结剂。塑料材料通常由两种基本材料组成:一种是基体材料--树脂,另一种是辅助材料--助剂。材料的组成及各组分之间的配比对塑料制品的性能有一定的影响。
分类
用途分类
根据各种塑料不同的使用特性,通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。
(1)通用塑料:一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种,即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物(ABS)。这五大类塑料占据了塑料原料使用的绝大多数,其余的基本可以归入特殊塑料品种,如:PPS(聚苯硫醚)、PPO(聚苯醚)、PA(尼龙或聚酰胺)、PC(聚碳酸酯)、POM(聚甲醛或聚氧化甲烯)等,它们在日用生活产品中的用量很少,主要应用在工程产业、国防科技等高端的领域,如汽车、航天、建筑、通讯等领域。
(2)工程塑料一般指能承受一定外力作用,具有良好的机械性能和耐性高、低温性能,尺寸稳定性较好,可以用作工程结构的塑料,如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。工程塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业,以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。
通用工程塑料包括:聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。
特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有:聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树脂等。非交联型的有:聚砜、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)等。
(3)特种塑料一般是指具有特种功能,可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用,增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能,这些塑料都属于特种塑料的范畴。
a.增强塑料:增强塑料原料在外形上可分为粒状(如钙塑增强塑料)、纤维状(如玻璃纤维或玻璃布增强塑料)、片状(如云母增强塑料)三种。按材质可分为布基增强塑料(如碎布增强或石棉增强塑料)、无机矿物填充塑料(如石英或云母填充塑料)、纤维增强塑料(如碳纤维增强塑料)三种。
b.泡沫塑料:泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性,压缩硬度很大,只有达到一定应力值才产生变形,应力解除后不能恢复原状;软质泡沫塑料富有柔韧性,压缩硬度很小,很容易变形,应力解除后能恢复原状,残余变形较小;半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质与软质泡沫塑料之间。
理化分类
根据各种塑料不同的理化特性,可以把塑料分为热固性塑料和热塑性塑料两种类型。
(1)热塑性塑料(Thermo plastics):指加热后会熔化,可流动至模具冷却后成型,再加热后又会熔化的塑料。
热塑料性塑料又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型。受热时变软,冷却时变硬,能反复软化和硬化并保持一定的形状。可溶于一定的溶剂,具有可熔可溶的性质。热塑性塑料具有优良的电绝缘性,特别是PTFE、PS、PE、 PP 都具有极低的介电常数和介质损耗,宜于作高频和高电压绝缘材料。
热塑性塑料易于成型加工,但耐热性较低,易于蠕变,其蠕变程度随承受负荷、环境温度、溶剂、湿度而变化。为了克服热塑性塑料的这些弱点,满足在空间技术、新能源开发等领域应用的需要,各国都在开发可熔融成型的耐热性树脂,如PEEK、PES、聚芳砜(PASU)、PPS等。
(2)热固性塑料:是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶(熔)特性的塑料,如酚醛塑料、环氧塑料等。
热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。热加工成型后形成具有不熔不溶的固化物,其树脂分子由线型结构交联成网状结构。再加强热则会分解破坏。典型的热固性塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料,还有较新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等。它们具有耐热性高、受热不易变形等优点。缺点是机械强度一般不高,但可以通过添加填料,制成层压材料或模压材料来提高其机械强度。
加工方法分类
根据各种塑料不同的成型方法,可以分为膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。
膜压塑料多为物性的加工性能与一般固性塑料相类似的塑料;
层压塑料是指浸有树脂的纤维织物,经叠合、热压而结合成为整体的材料;注射、挤出和吹塑多为物性和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料;
浇铸塑料是指能在无压或稍加压力的情况下,倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料,如铸模尼龙等;
反应注射塑料是用液态原材料,加压注入膜腔内,使其反应固化成一定形状制品的塑料,如聚氨酯等。
成分
塑料并不是一种单一成分,它是由许多材料配制而成的。其中高分子聚合物(或称合成树脂)是塑料的主要成分,此外,为了改进塑料的性能,还要在高分子化合物中添加各种辅助材料,如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、抗静电剂等,才能成为性能良好的塑料。
塑料助剂又叫塑料添加剂,是聚合物(合成树脂)进行成型加工时为改善其加工性能或为改善树脂本身性能所不足而必须添加的一些化合物。例如,为了降低聚氯乙烯树脂的成型温度,使制品柔软而添加的增塑剂;又如为了制备质量轻、抗振、隔热、隔音的泡沫塑料而要添加发泡剂;有些塑料的热分解温度与成型加工温度非常接近,不加入热稳定剂就无法成型。因而,塑料助剂在塑料成型加工中占有特别重要的地位。
合成树脂
合成树脂是塑料的最主要成分,其在塑料中的含量一般在40%~100%。由于含量大,而且树脂的性质常常决定了塑料的性质,所以人们常把树脂看成是塑料的同义词。例如把聚氯乙烯树脂与聚氯乙烯塑料、酚醛树脂与酚醛塑料混为一谈。其实树脂与塑料是两个不同的概念。
树脂是一种未加工的原始高分子化合物,它不仅用于制造塑料,而且还是涂料、胶粘剂以及合成纤维的原料。而塑料除了极少一部分含100%的树脂外,绝大多数的塑料,除了主要组分树脂外,还需要加入其他物质。
填料
填料又叫填充剂,它可以提高塑料的强度和耐热性能,并降低成本。例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本,使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一,同时还能显著提高机械强度。填料可分为有机填料和无机填料两类,前者如木粉、碎布、纸张和各种织物纤维等,后者如玻璃纤维、硅藻土、石棉、炭黑等。填充剂在塑料中的含量一般控制在40% 以下。
增塑剂
增塑剂,或称塑化剂可增加塑料的可塑性和柔软性,降低脆性,使塑料易于加工成型。增塑剂(塑化剂) 一般是能与树脂混溶,无毒、无臭,对光、热稳定的高沸点有机化合物,最常用的是邻苯二甲酸酯类。例如生产聚氯乙烯塑料时,若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料,若不加或少加增塑剂。稳定剂稳定剂主要是指保持高聚物塑料、橡胶、合成纤维等稳定,防止其分解、老化的试剂。为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏,延长使用寿命,要在塑料中加入稳定剂。常用的有硬脂酸盐、环氧树脂等。稳定剂的用量一般为塑料的0.3~0.5%。
着色剂
着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。合成树脂的本色大都是白色半透明或无色透明的。在工业生产中常利用着色剂来增加塑料制品的色彩。
润滑剂
润滑剂的作用是防止塑料在成型时粘在金属模具上,同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。
抗氧剂
防止塑料在加热成型或在高温使用过程中受热氧化,而使塑料变黄,发裂等。除了上述助剂外,塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂、导电剂、导磁剂、相容剂等。以满足不同的使用要求。
抗静电剂
塑料是电的不良导体,所以很容易带静电,而抗静电剂可以赋予塑料以轻度至中等的电导性,从而可防止制品上静电荷的积聚。
特性
塑料品种繁多,因其结构和组成不同,性能也不相同。有人这样形容塑料:像棉花一样洁白,像玻璃一样透明,像海绵一样轻软;如陶瓷一样绝缘,像钢材一样强韧;像石棉一样隔热;像金子一样防锈;做成齿轮,不用润滑。总的来说,塑料的特性可归纳如下:
① 质轻、比强度高。塑料质轻,一般塑料的密度都在0.9—2.3 g/cm3之间,只有钢铁的1/4、铝的1/2左右。各种泡沫塑料的密度更低,在0.01—0.05 g/cm3之间。按单位质量计算的强度称为比强度,有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如,合金钢材的单位质量拉伸强度为1.7 GPa,而用玻璃纤维增强的塑料可达到1.7—2.7 GPa。
② 优异的电气绝缘性能。几乎所有的塑料都具有优异的电气绝缘性能,如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性,这些性能可与陶瓷媲美。
③ 良好的化学稳定性能。一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力,特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好,甚至能耐“王水”等强腐蚀性电解质的腐蚀,被称为“塑料王”。
④ 减震、耐磨性能好。大多数塑料具有优良的减震、耐磨和自润滑特性。许多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的这些特性,在耐腐蚀塑料中加入某些固体润滑剂和填料时,可降低其摩擦系数或进一步提高其耐腐蚀性能。
⑤ 透明及防护性能优异。多数塑料都可以作为透明或半透明制品,其中聚苯乙烯和丙烯酸类塑料像玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能,大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能,因此常用作防护包装用品,如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。
⑥ 减震、消音性能优良。某些塑料柔韧而富有弹性,当它受到外界频繁的机械冲击和振动时,能有效地吸收能量,起到减震和消音的作用。
生产过程
塑料制品的生产由几个过程所组成。有些塑料在成型之前常需先进行塑料的制造(或配料)及预处理(包括预压、预热或干燥)等,可统称为原料准备。因此,生产塑料制品的完整工序共有5个:①原料准备;②成型;③机械加工;④修饰;⑤装配。在任何制品的生产过程中,通常都应依照上述次序进行,不容颠倒,否则在一定程度上会影响制品的质量和浪费劳动力及时间。如某些制品的生产不需要完整地通过这5个工序,则在剔除某些工序后仍应按上述次序进行。
应用领域
电气工业是最早使用塑料材料的领域之一,随着时代的发展,进而扩展到电子、家电和通信领域。塑料在电气电子工业中主要用作绝缘、屏蔽、导电、导热等材料。在通信领域,塑料材料不仅广泛用于各类终端设备,而且作为生产光纤、光盘等高性能材料的使用也日益增多。中国是家用电器生产大国,全行业对塑料材料的需求量较大,用量接近塑料消费总产量的1/10。塑料材料质轻、绝缘、耐腐蚀、表面质量高和易于成型加工的特点,正是空调、电视、洗衣机、电冰箱等家用电器所必需的。
农业是中国的基础产业,近年来实施的地膜覆盖、温室大棚以及节水灌溉等新技术,使农业对塑料材料的需求量越来越大。使用地膜覆盖可以保温、保湿、保肥、保墒,并可除草防虫,促进植物生长,提前收割,从而提高农作物产量。也正因为使用了温室大棚和遮阳网,才使得蔬菜和鲜花四季生长。塑料管材质轻、耐腐蚀、不结垢、易于运输、安装和使用,在现代农业灌溉中得到了广泛应用。此外,绳索、农机具、鱼网、遮阳网等也使用塑料材料,经久耐用又容易清洗。
塑料材料在建筑工程上的应用发展迅速,制品主要有给排水管道、导线管、塑料门窗、家具、装饰材料和防水材料。尤其是自20世纪70年代以后,低发泡塑料等结构材料的发展大量取代了木材,使塑料在建筑材料中用作结构件的增长很快。目前,国外塑料材料在建筑领域中的用量约占其总产量的25%,而我国不足10%,具有较大的发展潜力。
在包装行业,塑料材料是后起之秀,消耗量占塑料总产量的大约1/4,居首位。塑料薄膜用于包装早已融入日常生活之中,食品、针织品、服装、医药、杂品等轻包装绝大多数都用塑料薄膜。化肥、水泥、粮食、食盐、合成树脂等重包装也由塑料编织袋取代过去的麻袋和牛皮纸袋包装。塑料容器作为包装制品既耐腐蚀,又比玻璃容器轻、不易破碎,在运输方面带来许多方便,因而在饮料、化工等行业得到广泛使用。
目前,汽车工业发展迅速,每辆汽车平均使用100公斤以上的塑料材料,并呈逐年上升趋势。塑料在汽车行业的应用具有节能、提高配件功能、简化制造工序和工艺三大优势。节能源于塑料质轻,如聚丙烯材料的密度不足0.91g/cm3。提高配件功能源于塑料材料的品种和性能。简化制造工序和工艺源于塑料材料固有的易于成型加工的特性。因此,“汽车塑料化”也并非天方夜谭。
在人们的日常生活中,塑料的应用更广泛,如市场上销售的塑料凉鞋、拖鞋、雨衣、手提包、儿童玩具、牙刷、肥皂盒、热水瓶壳等。目前在各种家用电器,如电视机、收录机、电风扇、洗衣机、电冰箱等方面也获得了广泛的应用。
在国防、航空、航天等高科技领域,塑料材料也具有重要地位。例如,兵器的轻量化已在战车、枪炮、弹药等方面取得重大进展;纤维增强塑料代替铝合金制造飞机可大大减轻重量,节省燃料;人造卫星和宇宙飞船中,塑料材料占其总体积的一半,作为轻质、抗腐蚀材料的地位是其他材料不可替代的。
在医学工程领域,聚甲基丙烯酸甲酯在20世纪30年代就成为牙托、假牙、牙体修复、人工颅骨的主要材料。50年代以后,开始用塑料制造人体内的人工器官,如人工气管、人工血管、人工食道、人工心脏瓣膜及体外使用的人工肾脏、人工心脏等。由于长期与生物机体、血液、体液等接触,这类材料必须具有优良的生物适应性和生物相容性。此外,塑料材料还多用于制造医疗器械,如一次性使用的注射器、输液袋、手术器械等。除上述应用外,塑料材料在化工、机械及日常生活等方面都有广泛用途,科学家认为人类已进入高分子合成材料时代。
废弃塑料的影响
土地污染
塑料和塑料制品会破坏和污染陆地环境,并随后转移到水生环境,海洋中大部分塑料废弃物与陆地有关,但与海洋大环境中塑料废弃物的大量数据相比,缺乏陆地上塑料废弃物的数量数据。在陆地上倾倒塑料或填埋塑料会导致塑料的非生物和生物降解,其中塑料添加剂(例如稳定剂、部分有害着色剂、增塑剂和重金属)会渗入地下,并最终渗入环境的各个方面,从而造成土壤和水污染。
海洋污染
据估计,2012年全球海洋中约有1.65亿吨塑料废物,而平均每年有800万吨塑料被排放到海洋中,约有5万亿塑料碎片漂浮在海洋里。《从污染到解决方案:对海洋垃圾和塑料污染的全球评估》表明,从河流源头到海洋的所有生态系统都面临着越来越大的威胁。塑料占海洋垃圾的 85%,到 2040 年,流入海洋的塑料污染量将增加近三倍,每年增加 2300-3700 万吨。这意味着全球每米海岸线大约有 50 公斤塑料。通常,海洋中的塑料在降解过程中,聚苯乙烯和双酚A等有毒化学物质会释放到水里,造成水污染。此外,漂浮在海洋上的塑料碎片可能会被海洋生物迅速定殖,并且由于在海洋表面长期存在,可能有助于“外来”或非本地物种的移动。
空气污染
当填埋的塑料垃圾最终分解时,二氧化碳和甲烷被释放到空气中。在2008年堆填区分解固体废物期间,估计排放到大气中的二氧化碳当量为2000万吨。塑料和塑料制品的露天燃烧会释放出重金属、二噁英、多氯联苯和呋喃等污染物,这些污染物被吸入后会导致健康风险,特别是呼吸系统疾病。塑料对空气的污染严重威胁到人们的身体健康,对后代也可能造成巨大的影响。
对动物的影响
事实上,由于大量塑料废物进入世界海洋,大型海洋哺乳动物生存受到威胁的报告已经被记录在案。动物接触塑料废弃物的主要途径是摄取和缠绕,但摄取比缠绕更为频繁,海洋中的大多数动物误以塑料废弃物是食物,从而吃掉。而缠绕(如网)会对海洋动物造成伤害、损害甚至死亡。许多鸟类、海龟、鱼类、海豹和其它海洋动物因卷入塑料碎片而溺死或窒息死亡。
对公众健康的影响
塑料中的大多数添加剂都是潜在的致癌物和内分泌干扰物。摄入、皮肤接触和吸入是人类吸收这些添加剂的主要途径。微塑料是一种主要污染物,在被大量淡水和海洋生物摄入后,会在食物链中生物累积,从而导致公共健康风险。对人体组织的生物监测研究表明,塑料成分仍然存在于人群中,人类食用暴露于微塑料和塑料添加剂的动物是有害的。
经济影响
海洋垃圾和塑料污染也对全球经济产生重大影响。 2018 年,全球海洋塑料污染对旅游业、渔业和水产养殖的影响以及其他成本(如清理成本)造成的经济代缴估计至少为 60-190 亿美元。预计到 2040 年,如果政府要求企业按预期数量和可回收性支付废物管理成本,企业每年可能面临 1000 亿美元的财务风险。大量的塑料垃圾还会导致非法的国内和国际垃圾处理增加。
环保措施
制定相关政策,减少塑料废弃物
为了打击和遏制塑料对环境的持续污染,有必要制定切实可行的政策,这些政策必须得到遵守和执行。
提高公众意识
必须努力使公众了解塑料废物污染对环境和公众健康的潜在影响。这将大大降低污染率,保护环境质量。人们需要了解塑料制品的化学成分及其对健康的影响。
法律法规
中国在塑料污染治理方面已经制定和实施了一系列法律法规和政策措施。以下是一些主要的政策和法规:
1、《废塑料污染控制技术规范》:这是根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》等法律法规制定的,旨在防治环境污染,改善生态环境质量,规范和指导废塑料的环境管理。该标准自2022年5月31日起实施。
2、商务领域一次性塑料制品管理办法:商务部发布的这项规章于2023年6月20日开始施行,旨在贯彻实施《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》关于一次性塑料制品使用和报告的规定。该办法适用于商务领域一次性塑料制品使用和报告的监督管理,包括商品零售、电子商务、餐饮、住宿、展览等领域。
3、“十四五”塑料污染治理行动方案:由国家发展改革委和生态环境部印发,旨在进一步加强塑料污染全链条治理,推动“十四五”期间白色污染治理取得更大成效。该方案提出了到2025年的主要目标,包括塑料制品生产、流通、消费、回收利用、末端处置全链条治理成效更加显著,以及源头减量、回收处置、垃圾清理等方面的具体目标。
4、关于进一步加强塑料污染治理的意见:这份文件提出了加强塑料污染治理的总体要求、基本原则和主要目标。它强调了禁止、限制部分塑料制品的生产、销售和使用,推广替代产品,规范塑料废弃物回收利用,以及建立健全塑料制品生产、流通、使用、回收处置等环节的管理制度。
5、《中国塑料污染治理和循环利用政策与实践报告》:由绿色再生塑料供应链联合工作组和中华环保联合会共同发布,系统呈现了中国塑料污染治理的基线情况。报告梳理了中国塑料管理政策的发展历程,并从顶层设计、部门职能分布、全生命周期三个视角分析了当前中国的塑料政策体系。
这些政策和法规体现了中国在塑料污染治理方面的决心和行动,旨在减少塑料污染,促进可持续发展。